Файл: Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 95
Скачиваний: 0
а к а д е м и я н а у к У З Б Е К С К О Й С С Р
И Н С Т И Т У Т Э Л Е К Т Р О Н И К И
У. А. АРИФОВ, А. А. АЛИЕВ
УГЛОВЫЕ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ
аъ *
1 “ **«***»&
. . . t ’ • •***■*€■•
I i
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ФАН“ УЗБЕКСКОЙ ССР
Т а ш к е н т -1974
УДК |
537.534.8+537.533.8. |
У. А. |
А р и ф о в, А. А. А л и е в . Угловые закономерности взаимо- |
действия атомных частиц с твердым телом. Ташкент, Изд-во «Фан->
УзССР. Табл.—5, рис.—101, библ.—394 назв., стр.—286.
В книге излагаются результаты исследований угловых законо мерностей взаимодействия ионов и электронов малых (0,5—5 кэв) и средних (5—50 кэв) энергий с поли- и монокристаллическимн образцами твердых тел. Приведены новейшие данные об угловых закономерностях рассеяния частиц нонно-иоипой и электронноэлектронной эмиссий. Рассматриваются явления и закономерности, обусловленные влиянием кристаллической структуры и тепловых колебаний атомов решетки на процесс рассеяния частиц, особенно сти прохождения быстрых тяжелых частиц через кристаллическую решетку, в которой существенную роль играют фокусированные столкновения и взаимодействия, облегчающие движение частиц в кристалле.
Монография рассчитана на специалистов, работающих в обла сти физики взаимодействия частиц с твердым телом, в том числе приповерхностных явлений, а также на студентов и аспирантов по курсу физики твердого тела и физической электроники.
0236—173 |
© |
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ФАН» УзССР, 1974 г. |
|
А 355 (06)-74 10—74 |
|||
|
ВВЕДЕНИЕ
Успешное развитие электроники, покорение космоса, освоение новых источников энергии, создание материалов с за данными свойствами, проблема ввода в промышленность новых высокопроизводительных автоматизированных технологических линий и т. д. в решающей степени определяются тем, какими тем пами современная наука разрабатывает новые рабочие вещества— ионизованные газы, управляемые потоки частиц, низкотемператур ную плазму и т. д.
Ближайшие задачи в области промышленности связаны с разработкой и широким внедрением методов, устройств и систем, позволяющих осуществлять контроль и управление технологичес кими процессами на атомном и молекулярном уровнях.
В связи с этим в последние годы непрерывно растет интерес к явлениям, происходящим при бомбардировке твердых тел атомны-. ми частицами. Расширение физических исследований в этой обла сти обусловлено также появлением многих перспективных направ лений современной науки и техники, требующих знания механиз ма взаимодействия атомных частиц с твердым телом.
Если недавно физические процессы, вызванные ионной бомбар дировкой поверхности твердых тел, изучались лишь для выяснения причин, приводящих к искажению различных элементов ионных и электронных приборов, то в настоящее время знание механизма взаимодействия атомных частиц необходимо для толкования мно гих вопросов физики плазмы, физики твердого тела, радиацион ной физики, физики газовых лазеров, физики преобразований теп ловой энергии в электрическую и т. д.
Исследования вторичных процессов, происходящих при взаимо-. действии атомных частиц с твердым телом, имеют большое значе ние для техники ионного легирования полупроводников, электрон но-лучевой обработки вещества, электровакуумного приборострое ния, электронной и ионной микроскопии. Интерес к этим явлениям возрос также в связи с созданием ионных и плазменных двигате лей космических кораблей, конструированием электромагнитных
3
разделителей изотопов, ядерных и термоядерных реакторов, МГДгенераторов и др.
Вторичная ионно-ионная, ионно-электронная н электронно-элек тронная эмиссии широко применяются для измерения очень малых токов в масс-спектрометрии, для определения изотопических, при месных составов и получения изображения приповерхностных слоев твердого тела.
Развитие вакуумной техники, создание новых методов измере ний, обеспечивающих сохранение достаточно чистых условии на исследуемой поверхности, разработка аппаратуры для измерения малых токов, электромагнитного разделения изотопов (точечные ионные источники с сепарацией от нейтральных компонентов, ион но-оптические системы, электростатические анализаторы с высо кой разрешающей способностью, масс-апалнзаторы, устройства для регистрации отдельных частиц) позволяют ставить экспери менты в более чистых и контролируемых условиях (состав ионно го пучка и т. д.) и получать наиболее надежные и воспроизводимые результаты.
Быстрому росту исследований в области взаимодействия атом ных частиц способствует появление принципиально новых возмож ностей как для анализа экспериментальных результатов, так и для математического моделирования различных вторичных про цессов. Создание быстродействующих электронно-вычислительных машин позволило следить за целыми системами, состоящими из большого количества взаимодействующих частиц, не прибегая к упрощениям, обычным при решении проблемы многих тел анали тическими методами, и получать при этом более строгие количест венные выводы, допускающие сравнение с результатами экспери
ментов.
Освоение промышленностью технологии выращивания крупных монокристаллов с заданной ориентацией дало возможность про водить эксперименты по изучению взаимодействия чзсгиц на об разцах с более конкретными параметрами. Большие успехи в по нимании механизма взаимодействия атомных частиц достигнуты благодаря применению монокристаллов в качестве исследуемых объектов. Установлены принципиально новые явления и законо мерности, обусловленные упорядоченным расположением атомов в кристаллическойрешетке (плотностью атомов на гранях, цепоч ками атомов, ориентацией ее плоскостей по отношению к пучку падающих частиц и т. д .). Появились теории, вполне удовлетвори тельно количественно описывающие многие из наблюдаемых эффектов (например, анизотропию катодного распыления, рассея ние ионов, ионно-электронную и электронно-электронную эмиссии, каналирование ионов, кратное рассеяние ионов, столкновение с цепочкой, влияние тепловых колебаний атомов решетки и г. д.). Эти теории способствуют не только более глубокому пониманию наблюдаемых "закономерностей, но и дальнейшему развитию по добных исследований.
4
Ориентационные эффекты, наблюдаемые при взаимодействии заряженных частиц малых и средних энергий с кристаллами, изу чаются как у нас, так и за рубежом. Определенный успех в этом направлении достигнут в лаборатории вторичных процессов отдела физической электроники Института электроники АН УзССР. Час тично вопросы, связанные с угловыми закономерностями взаимо действия атомных частиц малых и средних энергий с твердым те лом, рассмотрены в работах М. Каминского [119], Л. Н. Добрецова, II. В. Плешивцева [195] и И. М. Бронштейна с Б. С. Фрайманом [73]. Этой же теме отведена одна-глава нашей работы [26].
Однако до настоящего времени не имеется монографии, в кото рой достаточно полно были бы представлены результаты исследо вания угловых закономерностей взаимодействия атомных частиц с твердым телом. Данная работа, как нам кажется, будет полезна для большого круга научных работников, инженеров, технологов,
аспирантов |
и студентов, |
специализирующихся |
по физической |
и |
технической |
электронике. В ней отражены не только основные |
|||
представления и идеи, но |
и систематизированы |
наиболее важные |
||
н надежные |
результаты |
экспериментальных и |
теоретических |
ис |
следований, проведенных за последние 14— 15 лет.
Г л а в а I
УГЛОВЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАССЕЯНИЯ ИОНОВ ПОЛИКРИСТАЛЛАМИ
При взаимодействии потока атомных частиц с твердым телом одновременно протекает ряд сложных процессов. В началь ный период исследования предполагалось, что бомбардирующая атомная частица вызывает эмиссию вторичных ионов (положитель ных и отрицательных), нейтральных атомов (катодное распыле ние) и электронов. Это была первоначальная упрощенная схема явлений взаимодействия.
Однако, как показали работы последних лет, картина вторич ных процессов, происходящих при бомбардировке твердых тел атомными частицами, гораздо сложнее как в отношении разнооб разия явлений, так и типа вторичных частиц.
Бомбардирующая частица — положительный или отрицатель ный (одно- и многозарядный) ион, электрон, фотон, позитрон или нейтральный атом, — попадая на поверхность твердого тела, мо жет испытать упругое или неупругое рассеяние на переднюю полу сферу как с изменением, так и без изменения заряда. В зависи мости от условий первого столкновения с атомами мишени бомбар дирующая частица может не только рассеяться на передней полу сфере, но и проникнуть в глубь твердого тела или адсорбироваться на его поверхности. Если энергия бомбардирующей частицы доста точно большая (десятки кэв), а твердое тело взято в виде плен-
О
ки толщиной несколько сот А, то она может пройти через нее и рассеяться на заднюю полусферу как с изменением, так и без из менения зарядового состояния. Кроме того, если пленка имеет моцокристаллическую структуру, то бомбардирующие частицы могут каналироваться, т. е. проходить через кристаллическую решетку пленки с малыми потерями энергии.
При взаимодействии бомбардирующих частиц с атомами твер дого тела одновременно с процессом рассеяния частиц как на переднюю, так и на заднюю полусферы, происходит также выби вание (катодное распыление) атомов материала мишени в виде положительных (в том числе многозарядных) и отрицательных ионов, а также нейтральных атомов (в том числе метастабильных); могут выбиваться и электроны (ионно-электронная эмиссия). При
6
наличии на поверхности адсорбированных атомов также осущест вляется их выбивание под действием первичных частиц в таких же разнообразных видах, как и выбитые частицы мишени.
При достаточной начальной энергии часть бомбардирующих частиц, проникая в глубь мишени, создает радиационные дефекты
ипри движении к поверхности может выбивать частицы мишени,
атакже участвовать в тепловом движении атомов мишени. Часть этих внедрившихся атомов вследствие диффузии может выйти к поверхности мишени и образовать на ней слой адсорбированных
атомов. Последние мигрируют в результате теплового движения и при высоких температурах испаряются, покидая поверхность ми шени в виде положительных, отрицательных и нейтральных частиц; происходит также термическая эмиссия электронов и адсорбиро ванных атомов. Если мишень представляет собой пленку толщиной
О
несколько сот А, а энергия бомбардирующих частиц больше гра ничной энергии прострела, то термическая эмиссия адсорбирован ных частиц происходит и с обратной стороны пленки.
Кроме того, при высоких температурах может наблюдаться термическая эмиссия частиц мишени как с передней, так и с об ратной стороны ее в виде положительных, отрицательных ионов, нейтральных атомов, а также эмиссия термоэлектронов.
В момент соударения происходит испускание электромагнитно го излучения и при выходе частиц с тыловой стороны мишени — испускание вторичных электронов как из бомбардирующих атомов,
так и из |
атомов мишени, |
адатомов. |
В ряде случаев при бомбардировке поверхности твердого тела |
||
атомными |
частицами летят |
кластеры, т. е. куски (макроскопичес |
кие элементы) поверхности как в нейтральных, так и в заряжен ных состояниях.
Каждое явление количественно характеризуется соответствую щим коэффициентом вторичной эмиссии — числом вторичных час тиц, приходящихся на одну падающую частицу:
1)коэффициент вторичной ионно-ионной эмиссии
2)коэффициенты вторичной ионно-электронной и электронно электронной эмиссий
3)коэффициент прохождения т] и поглощения v частиц
|
|
|
/т |
v |
|
|
|
7 J- *прэш |
|
|
|
|
~ 1 Г ' |
|
где / * , |
/2 |
— токи |
вторичных ионов и электронов, |
|
/ * , |
/ “ |
— токи |
первичных ионов и электронов. |
7
Аналогично определяются коэффициенты других видов эмис
сии, |
например, катодного распыления S, |
аккомодаций |
энергии |
а и |
др. |
например, к, у, |
гр или о |
Коэффициенты тех или иных эмиссии, |
обычно устанавливаются в зависимости от энергии, массы, потен циала ионизации, заряда, угла падения первичных частиц, от при роды, структуры п состояния поверхности, а также от температу ры образца. Кроме того, изучаются состав, зарядовое состояние, угловое, пространственное и энергетическое распределения вто ричных частиц. Исследуются также энергетические пороги различ ных вторичных явлений.
В последние годы в результате значительного расширения иссле довании взаимодействия атомных частиц с монокристаллами, установлен ряд новых эффектов и закономерностей. Для их опи сания потребовались новые термины и обозначения, которые прочно утвердились в терминологии физической электроники: эффект кана лирования, эффект теней, локальных и плоскостных темей, каналы и полуканалы, эффект блокировки, анизотропия рассеяния, кратное рассеяние, эффект цепочки, структурность энергетического спектра, анизотропия пространственного и углового распределений, катод ного распыления, ионно-электронной, электронно-электронной эмис сий и т. д.
Так как названные эффекты и закономерности обусловлены своеобразным поведением частиц в кристаллической решетке об разца, появилась необходимость введения новых углов дополнитель но к традиционным угловым параметрам, используемым при иссле довании угловых зависимостей' взаимодействия частиц с поликрис таллами. Для удобства дальнейшего изложения уточним применяе мую терминологию и угловые обозначения.
Угол падения частиц Ф — угол между направлением падения пучка первичных частиц и нормалью к поверхности мишени. Угол вылета вторичных частиц 0 — угол между нормалью к поверхности мишени и направлением вылета вторичных частиц. Угол рассеяния частиц р — угол между направлением распространения пучка и на правлением вылета вторичных частиц (или р = л— (Ф + 0)). В неко торых работах вместо угла падения берут угол скольжения г|), т. е. угол между направлением скользящего падения пучка и по верхностью (ф = 90°—Ф) и аналогично угол вылета (рис. 1).
В случае монокристаллической мишени азимутальный угол по ворота мишени ср назовем углом между плоскостью падения и кристаллографической осью (например, ось [ПО], см. рис. 1) среза мишени. Азимутальный угол рассеяния у будем именовать углом между направлением вылета вторичных частиц и плоскостью па дения. Проекцию угла у на плоскости среза мишени назовем зеркальным углом азимутального рассеяния б, а угол е — симмет ричным углом азимутального поворота мишени, угол между на правлением распространения падающего пучка и направлением вылета частиц вне плоскости — полярным углом рассеяния у.
8